Материалы нового поколения и нанотехнологии

 Новые материалы и нанотехнологии являются «сквозными» технологиями, которые определяют развитие в различных областях человеческой деятельности – от энергетики и компьютерных систем до медицины.

 В настоящее время происходит переход к новым типам материалов с «настраиваемыми» свойствами и объединение производств отдельных материалов и устройств, создаваемых на их основе.

 В конечном продукте не только учитываются свойства материалов, но и задаются требования к их разработке и производству.

Рост спроса на высокотехнологичные и традиционные товары с новыми потребительскими характеристиками ставит новые задачи при разработке материалов и требует использования нанотехнологий.

Тренды

• Рост спроса на высокопроизводительную вычислительную технику на базе мемристоров и новую портативную электронику (в т. ч. на основе углеродных наноматериалов)
• Сквозная цифровизация процессов разработки, моделирования, испытаний и производства продукции
• Переход к использованию экологически чистых альтернативных источников энергии, распространение систем распределенной энергетики
• Внедрение новых систем аккумулирования энергии
• Снижение рыночной стоимости разработки новых композиционных материалов, интеллектуальных и настраиваемых функциональных и конструкционных материалов
• Комбинирование аддитивных и субтрактивных технологий в рамках гибридного подхода (Hybrid Manufacturing Technologies)

Эффекты

• Повышение функциональности, эффективности и стабильности высокопроизводительной вычислительной техники
• Распространение экологически чистых технологий преобразования солнечной энергии в электроэнергию с использованием наноматериалов
• Снижение материалоемкости и затрат в процессе производства высокоэффективных систем аккумулирования солнечной энергетики и ее преобразования в электроэнергию
• Повышение уровня безопасности жизни и качества городской среды
• Снижение себестоимости легких и высокопрочных материалов на основе углеродных волокон, модифицированных нанотрубками и фуллеренами
• Увеличение коэффициента использования материала в аддитивном производстве
• Производство деталей сложных геометрических форм, которые невозможно сделать традиционными методами
• Минимизация временных и финансовых издержек на изготовление деталей в гибридном производстве
• Ускорение перехода от процесса разработки и проектирования к массовому производству

Драйверы

• Истощение и изменение характера сырьевых ресурсов
• Рост спроса на материалы с принципиально новыми свойствами
• Необходимость поиска новых высокоэффективных источников энергии для постепенного замещения нефтепродуктов в энергобалансе
• Изменение климата и необходимость решения вопросов по улучшению экологической ситуации
• Повышение требований к надежности систем хранения информации и аккумулирования энергии высокой мощности
• Снижение стоимости углеродных материалов и увеличение мощностей по их производству
• Появление новых классов биоразлагаемых материалов
• Возникновение потребности в максимальной гибкости и скорости производства, кастомизации продукции

Барьеры

• Сложность адаптации существующих производственных систем к использованию новых материалов
• Необходимость интеграции производств материалов и новой продукции еще на стадии конструирования
• Низкая скорость деградации и проблемы при утилизации и рециклинге материалов (в т. ч. композитов)
• Высокая стоимость мембран и платиносодержащих катализаторов для топливных элементов
• Невысокая скорость 3D-печати и наличие ограничений в размерах изготовляемой продукции
• Отсутствие стандартов и регуляторной базы использования новых материалов в ряде секторов

Тренды

• Рост потребности в новой портативной электронике и высокопроизводительной вычислительной технике
• Внедрение топливных элементов и систем аккумулирования энергии в транспортных средствах и др.
• Развитие технологий утилизации и рециклинга материалов и композитов
• Внедрение новых систем водо- и воздухоочистки с использованием наноразмерных мембран и катализаторов
• Внедрение в широкую практику сенсорных устройств, носимой электроники и Интернета вещей
• Развитие Москвы как «умного» города
• Производство новых материалов для использования в 3D-печати

Эффекты

• Рост конкурентоспособности московских предприятий вследствие повышения функциональности и качества высокопроизводительной вычислительной техники
• Улучшение качества воздуха и экологической обстановки в городе
• Снижение техногенной нагрузки на окружающую среду
• Повышение уровня безопасности жизни и качества городской среды
• Снижение себестоимости легких и высокопрочных материалов, рост эффективности в строительной отрасли
• Обеспечение медицинской отрасли материалами отечественного производства
• Сокращение длительности производственного цикла
• Увеличение уровня кастомизации и ускорение процесса выхода продукции на рынок
• Снижение объемов электронного мусора

Драйверы

• Рост спроса на новые материалы и материалы с новыми свойствами, обусловленный потребностями строительства, медицины и др. сфер
• Миниатюризация электронного оборудования при одновременном повышении скорости и мощности его действия
• Активизация политики в области экологии и защиты окружающей среды
• Повышение требований безопасности при использовании общественного транспорта и современных транспортных систем
• Появление новых классов биоразлагаемых материалов

Барьеры

• Значительные финансовые затраты на адаптацию производств к использованию новых материалов
• Длительный период и высокая сложность внедрения новых материалов при отсутствии развитого производства конечных продуктов
• Высокие экологические риски при создании средних и крупных производств новых материалов на территории мегаполиса
• Высокая стоимость мембран и платиносодержащих катализаторов для топливных элементов
• Ограниченность применения аддитивных технологий из-за зачастую неудовлетворительных свойств используемых материалов